城市湖泊流域面源污染的源-汇效应研究 ——以武汉市东湖为例

姜庆虎，刘艳芳*，黄浦江，叶青青

1. 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；2. 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉 430079

城市湖泊具有给水、排水、微气候调节等生态服务功能以及水上运动、水产养殖、休闲等多种经济、文化价值[1]。然而，随着城市化的高速发展，点源污染控制得到不断完善的同时，多数城市湖泊受面源污染的影响，水体污染物浓度严重超标，湖泊生态系统急剧退化变得异常脆弱，严重影响着其各项功能的发挥[2]。如何认识并有效控制城市面源污染成为我国迫切需要解决的重要议题。早在1980年美国的学者们就得出，129种重点污染物中约有50种在城市径流中出现[3-4]。美国国家环保署把城市地表径流列为导致全美河流湖泊污染的第3大污染源[5]。城市下垫面的利用方式影响到地表污染物的负荷状况，对径流水质的影响较大。Basnyat等[6]、Tong等[7]和Ren等[8]的研究结果表明土地利用类型面积大小与河流水质存在显著相关性。Gromaire等[9]、Legret等[10]和Sansalone等[11]指出屋面、庭院和道路雨水径流中含有大量固体悬浮物、碳氢化合物和重金属等。土地利用方式的变化改变了自然水文过程，是影响受纳水体水质的主要因素之一[12]，因此，通过恰当的土地利用管理措施可以提高流域水环境质量[13]。此外，相关研究表明城市湖泊水质状态受气候的影响，季节性变化显著[14]。水生生态系统中的浅水植被、藻类和微生物的生长、繁殖对污染物有一定的吸收作用，代谢过程的吸收速率受温度影响，呈现季节性波动[15]。湖泊水质受降雨强度、降雨量、降雨次数和间隔的不同有相当大的差异，而降雨随季节亦呈现出一定的规律性[16]。可见探明湖泊水质的季节变化规律有助于更好的把握和分析城市面源污染的影响。

城市化对水体面源污染影响的研究，学者们分别从“源”、“过程”、“汇”的角度对问题进行了描述[17]。其研究主要针对城市不透水面和绿地径流的污染监测，多为设点截流采样[18-19]，容易忽视径流过程的路径状况，忽视源-过程-汇的整体关系，使污染源和受纳目标水质监测结果产生差异，造成城市面源污染对湖泊水质的影响失真。本研究立足于剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系这一基本出发点[20]，选取典型城市湖泊武汉市东湖为研究对象，通过Arcgis水文分析划定流域范围，通过建立了地类——湖泊水质关系模型，旨在明确流域内土地利用类型与水质状态的相关关系，并发现城市水体污染的来源及季节变化规律，进一步提出城市化背景下的湖泊面源污染防治和控制措施。对于城市湖泊资源的可持续利用与保护具有重要的指导意义。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

1.1.1 研究区概况

武汉东湖现为中国最大的城中湖，主体水体范围为30°31′-30°36′N，114°21′-114°28′E，水域面积达33 km2，由郭郑湖、汤菱湖、鹰窝湖、水果湖和庙湖5个子湖构成。本次研究中得到东湖流域的精确范围，流域面积为12967.77 hm2。东湖流域区属北亚热带季风性湿润气候，多年平均气温15.8～17.8 ℃，年平均降水量为1150～1450 mm，降水集中于每年6-8月。流域总体上地势平坦，南岸多丘陵，东岸、西岸为岗状平原，西北岸为冲积平原。

1.1.2 流域划分

运用武汉市主城区DEM数据，在ArcGIS水文分析模块下，进行水流方向、汇流累积量、流域盆地和集水区域的划分，得到武汉市东湖流域汇水单元，结合湖泊水域划分为郭郑湖流域、汤菱湖流域、鹰窝湖流域、水果湖流域和庙湖流域5个汇水流域（图1），并统计各流域汇水面积。

图1 武汉市东湖流域划分示意图（2010年） Fig.1 East Lake watershed divide schematic diagram in 2010

1.1.3 土地利用分类

利用envi4.8对该区30 m分辨率的TM影像进行解译，并结合已有的武汉市中心区主要干道交通网络数据，利用Arcgis9.3生成了东湖流域土地利用类型图(图2)。主要包括绿地、建设用地、农田、湖泊水面、坑塘水面5种类型。赋予各地类流域属性，并统计面积。

图2 武汉市东湖流域土地利用类型图（2010年） Fig.2 East Lake watershed land use map in 2010

1.1.4 水质监测数据

本研究水质类别和营养状态数据来自湖北省环境质量月报，其统计数据均按照地表水环境质量标准(GB383822002)方法测定，涵盖2004-2012年共9年数据（除2005、2006年部分月份数据缺失外，其余年份数据齐全），测点涵盖东湖所有子湖。其数据主要包括水质监测类别、超标项目、营养状态指数和营养状态级别四种。其中，郭郑湖、汤菱湖、鹰窝湖和水果湖分月份水质级主要为Ⅳ类和Ⅴ类，污染程度较高的庙湖（2009年6月以前为东湖子湖）多数月份水质级别为劣Ⅴ类；超标项目指标选定总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生物需氧量（BOD5）、石油类和化学需氧量（COD）五类。

1.2 研究方法

1.2.1 水质监测数据处理方法

现有的水质监测统计数据显示，除水体营养状态指数为定量值外，其余指标如污染物超标项目等为定性描述，没有具体公布监测值，对于定量化分析水质数据带来很多不便。为了便于准确分析，将定性类指标进行量化赋值，从而达到定量化评价的目的。

超标项目中，一种污染物超标，则赋值为1，污染物不超标，赋值为0。量化公式如下：

式中：Ci为某超标项目在湖泊水质富营养化中出现的概率，其值为[0，1]，越接近1，表明该湖泊9年间遭受该类污染的风险越大。wi为某种水质超标项目超标出现值，ni为湖泊水质监测的统计次数，i为超标项目。

对于水质类别，现有的统计数据显示，湖泊污染水质类别在Ⅲ类至劣Ⅴ类之间，分别赋值3-6。量化公式如下：

式中：Dj为湖泊水质类别指数，结合现状，其值位于[3，6]之间，该值越大，表明研究期内湖泊水质受污染程度越高。dj为湖泊水质的类别值，nj为湖泊水质监测的统计次数，j为东湖各子湖。

1.2.2 用地类型与水质关系建模

雨水径流冲刷地表，携带大量积累的污染物，在各地类表面流走，并不断被各地类吸收、再析出，最终汇入受纳目标。根据研究区现状，雨水一部分进入排水管道汇入污水处理厂，在发生强降雨时，受城市排水系统承载力限制，超出部分在地表汇集形成径流，直接排入受纳水体，导致水体污染。本文建立一个用地类型与湖泊污染模型，用来描述土地利用对湖泊水质的影响关系，模型公式如下：

式中，LC表示湖泊水质状态，Si为第i种土地利用类型的面积，αi为该用地类型对湖泊水质的影响，αi值为负，表明此土地利用类型上滞留、吸附污染物大于自身所释放的污染物，αi的值为正，则意义相反，其值大小表示影响的关系权重，σ为某种污染物影响的常数项。

本研究运用Excel(2010)和SPSS软件对所有数据的进行整理与统计分析，得到模型各参数结果。

2 结果与分析

2.1 城市湖泊的水质特征

2.1.1 水质状态及主要污染因子

表1 东湖水质状态及主要污染因子 Table 1 East Lake water quality status and major pollution factor

如表1所示，水质类别指数、营养状态指数和超标项目三者表现出很好的一致性，各子湖水体的污染程度由重到轻依次为庙湖＞水果湖＞郭郑湖＞鹰窝湖＞汤菱湖，其特征主要表现为：污染越高的湖泊通常水域面积较小，水体形状规则，污染程度越低的湖泊水域面积较大，水体形状接近自然的不规则形状，拥有良好的景观空间连通性。就水质类别而言，庙湖的水质类别指数为6，表现为劣Ⅴ级，污染最严重；其余4个子湖的水质类别指数位于Ⅳ-Ⅴ级之间，其中水果湖、郭郑湖水质偏Ⅴ级，鹰窝湖和汤菱湖水质偏Ⅳ级。对于营养状态，庙湖的营养状态指数为69.60，为中度富营养；水果湖、郭郑湖、鹰窝湖和汤菱湖4个子湖的营养状态指数依次为56.7、52.99、50.18和50.05，均为轻度富营养状态。在污染超标项目中，污染程度最严重的庙湖，其主要影响因子TN、TP、CODMn、BOD5、石油类和COD均明显高于其他4湖；鹰窝湖的TP、CODMn、BOD5和石油类的污染风险相对最低；TN和COD污染风险最低的湖泊为汤菱湖。

2.1.2 各水体水质季节动态分析

表2 东湖水质营养状态指数季节动态 Table 2 East Lake water quality trophic state index season dynamic

本文以近5年东湖水质富营养状态为例，按照春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月，冬季1-2、12月的划分，将月份数据平均转换为季节数据，分析湖泊水质的季节性变化，结果如表2和图3所示。可以看出，东湖水质污染程度的季节变化大致表现为：秋季＞夏季＞冬季＞春季。春季富营养状态最低，随着季节的更替逐渐上升，到秋季富营养状态达到最高，冬季又有所降低。结合武汉市的污染现状和气象资料分析，秋、夏两季降雨频繁，冲刷侵蚀力度较大，面源污染引起湖泊水质恶化严重。夏季由于雨量最大，能够稀释降低污染物浓度，加之高温能够加快藻类、微生物的繁殖速度，消耗水体中的污染物，使得污染得到缓解。冬、春两季水质较好主要是由于降水量和降水频率都较小，污染物能够被城市排水和污水处理系统有效处理，污染程度相对降低。

图3 东湖水质富营养状态季节变化图 Fig.3 East Lake water quality eutrophication status seasonal variation

2.2 用地与湖泊水质关系分析

2.2.1 土地利用现状分析

如图2和表3所示，武汉市东湖流域总面积12967.77 hm2，其中建设用地面积最大，为4826.75 hm2，占全流域的37.22%，主要分布于东湖的西部和西南部，该区为城市中心，城市化程度较高；其次为湖泊水面3456.25 hm2，约占流域面积的1/4；绿地和农田面积相当，分别为2362.13 hm2和2268.99 hm2，占流域面积的18%左右，主要分布于东湖流域的东部和东南部，该区为城市近城区和郊区，城市化率较低；坑塘水面面积最小，仅有55.31 hm2，不足流域总面积的1%，呈零星分布。

从流域角度分析，各子湖流域面积由大到小依次为鹰窝湖流域＞郭郑湖流域＞汤菱湖流域＞庙湖流域＞水果湖流域。按照用地类型细分，水果湖流域建设用地所占比例高达94.12%，其交通和排水系统较为完善，周边污水及雨天初期雨污水被送至沙湖污水处理厂处理，不再入湖；其次为庙湖流域占71.27%，该区餐馆、学校等污染源众多；鹰窝湖流域建设用地比例最小，为24.76%，其中旅游用地占很大比重。鹰窝湖流域农田所占比例为30.57%，其次为汤菱湖流域，占14.45%，其余3个流域农田所占比例不大；其中，城区和近郊区农田多为经济效益较高的菜地，远城区的农田多为旱地和水田。同农田一样，鹰窝湖流域绿地所占比例最高，占其流域面积的26.32%，其次为郭郑湖和庙湖流域，面积分别占各自流域的16.51%和12.91%，汤菱湖和水果湖流域绿地所占比例较小；各流域的绿地多为公园、旅游景区和校园内的草地和林地。5个子流域内，除水果湖流域无坑塘水面外，其余4个流域坑塘水面面积所占比例均较小，不足1%。

2.2.2 用地类型和水质关系分析

运用SPSS统计分析软件，对用地数据和水质数据进行回归分析，得到各土地利用类型单位面积与湖泊水质、营养状态、超标污染物的关系。关系表达式如表4所示，其中，方程通过显著性检验，其相关系数R为1，置信区间为95%，样本数为5。

表3 2010年武汉市东湖流域土地利用类型面积 Table 3 East Lake basin land use types area (proportional) in 2010 hm2

表4 东湖流域用地类型和水质回归分析关系 Table 4 Regression analysis between land use types and water quality indices in East lake basin

对于水质类别和营养状态指数，地类——湖泊污染模型的回归分析结果显示，导致水体恶化和富营养化的主要污染源是农田和建设用地，坑塘水面和绿地则能够有效的滞留吸收污染物，起到保护湖泊水体的效果。建设用地中的居住、交通和商业用地积累的大量污染物，如生活垃圾、大气沉降物、建材废料等，农田土壤中富集各种化学农药、肥料等，受到雨水冲刷，随地表径流进入湖泊，造成湖泊污染。相反，坑塘水面和湖泊一样，能够汇集雨水，起到有效的截流效果，减少地表雨水径流的入湖量，从而显著改善湖泊水质；绿地中的林地、草地由于植被覆盖，能够减少雨水势能，降低雨水冲刷侵蚀力度和运载力，使污染物质沉降，同时由于植被对N、P、重金属物质等污染物的吸收，绿地同样起到保护湖泊水体的功能。

具体到地类对不同超标项目的污染权重系数，农田是造成湖泊中各种污染物超标的主要污染源，其单位面积的污染程度高于其他用地类型。其中，TN和CODMn超标系数最大，其次为石油类和BOD5，TP和COD的污染相对较小，但仍超过建设用地2～3倍。建设用地面源污染导致湖泊水质的CODMn超标程度最高，其次为总氮和石油类，其余污染物影响相对较小。上述两类用地的面源污染表明湖泊污染的主要来源为农田化肥、有机磷农药、城市生活垃圾、工业粉尘以及汽车尾气沉降物，其中的TP、TN、可被氧化的有机物和亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等还原性无机物污染超过湖泊水质指标限制，水体平衡被打破，可造成水体富营养化，藻类浮游生物大量繁殖导致引发水华，严重可造成水生生物的死亡，进而使水体处于厌氧状态，出现发黑、发臭等现象。

在地类对湖泊水质的保护作用中，坑塘水面和绿地对污染物呈现负相关，在吸收、截留径流携带的污染物方面具有积极作用。其中坑塘水面的保护效率最明显，它是污染物进入湖泊的预前“汇”，降雨初期能够有效节流污水，但考虑到坑塘的汇水容量，在发生强降雨时，坑塘的保护作用受到限制。绿地的保护效果也相当明显，单位面积的绿地能够完全吸收、截留同等面积的建设用地面源污染，加上其在流域内布局较广，总面积占相当比例，是流域内起主要作用的湖泊保护用地。

3 讨论

3.1 污染的不确定性

面源污染是由降雨径流产生，具有一定的不确定性，其特征主要表现为：发生区域的随机性、排放途径及排放污染物的不确定性以及污染负荷空间分布的差异性[21]。从污染的来源分析，随着东湖周围人口密度和建筑密度的逐渐增大，受人为的影响城市地表积累了大量污染物，有来自交通、农、渔、建筑等行业以及生活垃圾中的重金属污染、无机物和有机物污染，其中的污染物来源复杂，分布随机，不同污染物导致径流水质受汇水面性质影响而呈现出不同的变化。从径流过程分析，由于东湖流域排污系统为雨污合流制，部分雨水进入城市排污系统，混合点源污染物如居民生活污水、工业污水等经污水处理厂处理达标后排入湖泊，在暴雨发生时，过量雨水携带点源污染物从排水系统中溢出，汇入湖泊造成污染，在研究面源污染的源-汇效应时，如何区分点源污染的贡献值是将来值得深入研究的问题。从汇水湖泊自身分析，由于湖泊面积和初始属性的不同致使其自净化能力的差异，受气候因素的影响，用地类型与水质的关系更加复杂，加之各湖泊间存在很大的景观连通性，湖水间可以流通交换，势必影响流域内面源污染的源-汇关系。综上所述，流域内土地利用带来的城市湖泊环境的面源污染是一个复杂的系统问题，未来的研究需要从不确定性入手，继续剖析和完善，从而更好的了解面源污染的演化实质。

3.2 污染防治和控制

人类活动在提高社会生产力的同时，强烈地改变了城市的土地利用类型，使地表的水文特征、径流方式发生改变，带来了严重的面源污染环境问题。本研究通过分析流域内土地利用与湖泊水质数据的关系，找出城市用地面源污染的来源，并据此提出相应的防治和控制措施：首先，合理规划城市土地利用类型，保护和维持现有的坑塘，尽可能的增加社区绿地；其次，加强水环境保护的宣传和教育，提高公众环保意识，同时加强道路卫生管理，从源头减少面源污染；再次，完善城市排污系统，采用雨污分流式的排水管道，防止点源污染的重现；最后，改善湖泊水动力条件，充分发挥水体的自然净化能力。总之，对流域土地利用变化的水文影响进行准确评价，科学规划用地结构和布局，协调湖泊生态与城市发展，同时加强公众的环境意识，采取行政措施和工程、生物等技术措施从源头、过程和汇三个方面对面源污染进行控制和治理，从而改善城市湖泊环境，使其生态功能、经济和文化价值得到更好的发挥。

4 结论

本文选取国内最大的城中湖东湖作为研究对象，运用遥感和GIS技术，划定流域作为研究区，通过数据的定量化转换，建立了地类——湖泊水质关系模型，对该区的土地利用及其水文过程响应进行了分析和研究，得到如下结论：

（1）武汉市东湖受人类活动的影响，水质恶化和富营养化现象严重，各流域污染程度由高到低依次为庙湖＞水果湖＞郭郑湖＞鹰窝湖＞汤菱湖。

（2）湖泊水质污染程度受降水、温度等气候因素的影响，呈现季节性的波动规律，秋季污染程度最高，其次为夏季，冬、春两季的污染程度相对较低。

（3）流域内的土地利用与湖泊水质存在很大的相关性，农田、建设用地是面源污染源，绿地和坑塘水面是面源污染的汇，因此可以通过合理的规划城市用地方式改善湖泊污染的现状。

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